A：呵，好久不见啦！今天想请你讲讲你的老本行，基本粒子的道理，希望让外行也能听懂才好。
B：你来得突然，又提那样的难题，你总是搞强迫命令呗。老朋友吩咐，真没办法，就算简单地谈谈基本粒子吧，道理也多着哩。
A：我也稍稍有点准备，那就让我对各种各样的道理都领教一下吧。
B：你究竟准备过什么来着？
A：查查《广辞苑》，基本粒子的词目下写道：“构成物质或场的终极的单位物质有质子、中子、电子、正电子、介子、中微子、光子等等，都以各目的质量、自旋、电荷为其特征。基本粒子之间有相互作用，从而引起相互转化。‘基本粒子论’是研究基本粒子的性质和相互作用的理论，也叫做场论。”据说种类很多，基本粒子之间都是依靠相互作用来起变化的，可是……
B：对啦，那么，你对相互作用是怎样理解的呢？
A：唔——，只要举出基本粒子之间互相影响的力就行了呗。例如，牛顿的万有引力，电磁学上的库仑力之类就是的嘛。
B：嗬——，那就随便谈吧。基本粒子的相互作用一般有四种，按从弱到强的顺序排列，那就是：
1. 重力相互作用（Gravitation）
2. 弱相互作用（Weak Interaction）
3. 电磁相互作用（Electromagnetic Interaction）
4. 强相互作用（Strong Interaction）你所说的是第一种和第三种相互作用。你是否要听一些强相互作用和弱相互作用的问题呢？例如，核力是强相互作用，原子核的β衰变是弱相互作用。
A：呵，是这样吗！可是，所谓以质量、电荷以及自旋相区别的基本粒子究竟有多少种呢？
B：已经有好几百种啦。要对它一一分类，那就得照动植物的分类那样，必须设立各种各样的科目。最粗糙的分法是分为强相互作用和弱相互作用二类，前者命名为强子（hadron），后者中又把参与弱相互作用的命名为轻子（lepton），借以和只起电磁作用的光子（photon）相区别。强子族按照粒子固有角动量的自旋（spin，符号J）可分为二类。根据量子力学，已知自旋是取整值或半整数值的。整数自旋的粒子叫做玻色子（boson），半整数自旋的粒子叫做费米子（fermion），但强子族中的费米子又叫重子（baryon），玻色子又叫介子（meson）呀。干脆还是看看有代表性的基本粒子一览表吧（见表1）。更详细的基本粒子一览表请查其他文献。
A：轻子族比强子族少哩！
B：这里列出有四个轻子及其反粒子，这是早就知道的，可是，美国斯坦福直线加速器中心（SLAC）的皮尔（Perl）实验小组最近好像说过在1.8 GeV（千兆电子伏）附近应该还有一个。就算有吧，实际上还是强子多，在这个表上看到的仅仅是一部分重要的。对强子进行分类，除了必须给出自旋的量子数之外，还必须给出同位旋（isospin，符号I）、超电荷（hypercharge，符号Y），以及奇异性（strangeness，符号S）等的量子数。
A：喂喂，请等一等，电荷是怎么回事？
B：电荷Q，按照中野 - 西岛 - 盖尔曼（Gell-Mann）公式就是Q=Is+Y/2=Is+(B+S)/2。同位旋是同位旋空间内的矢量，考虑到对第三轴的投影，就用Is表示。B表示重子数，特别把重子作为1，它的反粒子作为-1。表1就是这样。由于这样可以很好地进行分类，弄清了SU（3）对称性在强子世界中确实是成立的，这也是著名的事件哩。
A：的确，这样一来把强子分成许许多多种，当然就可以很好分类啦。怎么又和元素在周期表中的分类相似的呢？周期表的规律性实际上是原子的价电子的反映。要是这样，强子就并不是不可分割的，它的基本素材似乎是怎么考虑都行。
B：因此，把P、N、Λ及其反粒子作为基本成分的是坂田模型。以这个模型为转折点，弄清了刚才说的SU（3）对称性，这才进展到现在的夸克（quark）模型。这是盖尔曼（Gellmann）、兹威格（Zweig）在1964年提出的。所谓夸克有三种，命名为ρ、η、λ，重子族基本上是三种夸克的组合，介子族是夸克与反夸克对。
由此可见，夸克的电荷是分数。
A：夸克大概也有10多年历史啦，那总是发现了吧？
B：现在还没有发现。可是，不但强子中一个个的粒子是按夸克模型来理解的，就连高能反应试验，看来也是支持夸克假说的。
A：这么说，强子族要是按照夸克模型就好理解啦。强子有三种吗？就算是那样吧，夸克也是个怪名称。呵呵，《德日辞典》注解说夸克是“干酪”，引申起来，连红霉菌、青霉菌也同这个名称搅在一起啦。
B：不是那个夸克呀。据说是从什么小说中引用来的。可是正像你说的那样，的确有红有青。好像还有白色。夸克模型大概最后就归结为三色。三色一经引入，就对夸克模型中纠缠不清的统计上的困难，也就是夸克既属于费米子又不按费米统计的问题，提供了一个解决办法，同时也正确地给出了π°→2γ的衰变概率，因此，三色假说目前大概就在夸克模型中固定下来了。于是就用上了所谓颜色（color）自由度这个术语。而原来从SU（3）对称性得出的夸克ρ、η、λ的自由度，却与此相对应地称为气味（flavor）自由度啦。
A：那么，夸克是3×3=9个了吧？
B：可别急，1974年美国斯坦福直线加速器中心的李希特（Richter）小组和美国布鲁海文国立实验室（BNL）的丁肇中小组发现了名为ψ或J的重矢量介子之后，跟着又有人发现了和这个粒子有关的一群粒子，人们对这些粒子提出了名为粲（Charm）的新自由度，许多人都倾向于想把它们同过去的粒子区别开来。这就是说打算承认粲夸克哩。这些粒子也是带有三种颜色的。
A：嘿，那就一共12个啦！10多年中这么高速度地从3个发展到了12个，今后或许还会大大增加吧？
B：就是嘛，1972年京都大学的先生们就在研究，如果把气味作为6个，是不是也可以解决弱相互作用的违反cp对称性这样的重大问题呢？种类可能还大有增加哩。
A：那么，可否认为夸克也是由什么东西构成的呢？
B：这样考虑的人们也多着呢！（如松本和田岛，德来尔（Drell）和卡洛维兹（Chanowitz），宫泽，赤间和寺泽等）。
A：嘿，是这样吗？刚才说过轻子种类好像也在增加哩。
B：这是会通过今后的试验逐渐搞清楚的吧。要是轻子种类增加，也许会像强子那样在轻子世界建立起对称性来，这真有趣呵！
A：这是不是说，轻子世界种类少的问题，还是没有很好搞清楚的呢？
B. 轻子中带电荷的电子和丛粒子本来起着电磁的相互作用，这个效应可根据量子电动力学作理论的计算，同实测值也非常吻合。1929年海森堡和鲍利建立量子电动力学时，场论特有的发散困难的问题，由于朝永、费英曼（Feynman）和施温格（Schwinger）的努力，创制了编入理论，基本上已可避开发散的困难，求得辐射的补偿，而氢光谱的蓝姆移动（Lamb Shift）或轻子的异常磁效应也以非凡的精度达到了理论和实验的一致。
A：这样一来，量子电动力学采用了编入理论，就提供了预见的能力啦。
B：是呵，弱相互作用理论研究的历史也和量子电动力学一样长远，那是从1934年的费米（Fermi）理论开始的。当时除光子以外的基本粒子通通都看作是费米子的，所以就只用费米子来表述弱相互作用。考虑到四种费米子是在一点上起相互作用的，就把这种类型叫做了费米型。只要把实际的费米型当作是由与量子电动力学的电流同形的矢量电流和轴向矢量电流之差所决定的弱电流之积，那在现象论上就认为是适当的了。进入七十年代以来，除少数人外，大家都认为理应用弱电流之积来表述弱相互作用啦。
A：那么，你是不是想说和量子电动力学有所不同呢？
B：量子电动力学对电磁相互作用的基本想法是，带电物体是以交换光子来起相互作用的，由于光子的质量为零，因而导入了库仑力那样的远距离力，这就和费米型的相互作用有所不同啦。
A：刚才说过，量子电动力学采用编入理论，求得了理论值的高次补偿，而费米理论又怎样呢？
B：呵，你真行。费米型相互作用的高次补偿提出了无限大，并不是编入。因而费米型在预见能力上当然就有了限制。
A：现在是怎样考虑的？
B：费米理论在低能领域毕竟是成功的，因而留下了好的一面，只要建立起量子电动力学那样的预见能力，那就行啦。
A：在量子电动力学中光子是相互作用的媒介，可是在弱相互作用时，有没有起这种作用的粒子呢？
B：没有，没有发现这样的粒子。但在我看来，目前大概还没有创造出试验的能量，由于质量大才没有发现的，1967、1968年间魏恩堡（Weinberg）和萨拉姆（Salam）就考虑到以名为弱玻色子（weak boson）的弱相互作用为媒介的粒子理论。
A：嘿，谈吧。那就简单给我讲讲魏恩堡和萨拉姆的理论是怎么回事吧！
B：历史上有好些预测新粒子的事例哩。后来经过证实的，如早期鲍利预测的v，汤川预测的π介子等就是最著名的。在汤川的理论中，π介子虽是作为核力的媒介出场的，却仍期待着弱相互作用或许也可作为媒介。此外，还有盖尔曼预测的Ω-，以及粲方案中的粲介子等等。可是，魏恩堡 · 萨拉姆模型是只起电磁相互作用和弱相互作用的轻子族的理论。前面说过，轻子世界的对称性还没有很好搞清楚，但对电子族（e-，ve）和μ粒子族（μ-，vμ）却已尽量弄清。通过试验也了解到，两族属性的差异仅在于e-和μ?的质量不同。因此，魏恩堡 · 萨拉姆理论关于轻子世界的对称性是从下述的假定出发的。这就是说，v可以把在进行方向和反方向只有自旋成分的粒子所构成的一组e-或μ?分为右手成分和左手成分。由于左手成分变为（ve，e-）L，或（vμ，μ-）L，从而就对它提供了和强子一样的同位旋和超电荷。余下右手成分的e-R或μ-R则原封不动，把轻子的对称性作为SU（2）L×U（1）。这个对称性实际上虽未成立，但在出发点中还是作为成立的。与此同时，又导入了质量为零的矢量场，并把它当作是具有自旋1和0的成分的。另外，还有目的地导入了特别的标量场（自旋为0）。
A：嗬，光子要是矢量粒子，那么，这个矢量场也是和光子相对应的吧？
B：是的。这种质量为0、自旋为1的玻色子就叫做规范（gauge）粒子呀。魏恩堡 · 萨拉姆理论也和QED一样变成了规范理论，这就是说，规范粒子是起着相互作用之媒介这样的重要作用的。
A：怎么，后来好像行不通呵？那么，刚才说的起着相互作用之媒介的粒子，亦即规范粒子，似乎就只有光子啦，特别是弱玻色子的质量难道不是够大的吗？
B：对，因此，在创造大质量的弱玻色子时，特征就是借用了希格斯 · 基白尔（Higgs Kibble）机构呀。这一点还无法详谈，简单说来，原因是特为导入的名为希格斯介子的规范粒子的一部分转化成了弱玻色子的质量。电子或介子的质量也是由希格斯介子给定的。但是，规范粒子并不是全部都具有质量，其中之一的光子，质量仍然等于零。
A：这样说来，魏恩堡 · 萨拉姆理论上必须存在的粒子究竟是哪一个呢？
B：这个，如果ve，vμ，e-，μ-是必要的，那就只要有重的轻粒子也行了，再说，除光子外，弱玻色子就是名为W±，Z的矢量粒子，而且是希格斯介子。魏恩堡 · 萨拉姆理论预测到了这种粒子的存在，在这一点上就是统一了电磁相互作用和弱相互作用的理论呵。果真如此，那就应该同统一了电和磁的麦克斯韦（Maxwell）的业绩相媲美了吧。
A：要是其中包含量子电动力学，那就应该是可能编入的理论了吧？
B：对，对，那就是1971年已经证明了的胡夫特（t'Hooft）理论。因此，才使高次补偿成为是可以计算的啦。
A：这个理论正确吗？
B：最好的验证方法就是要找到弱玻色子呀。所以，全世界的高能试验家都打算以此为目标呵。说来，这是将来的问题喽。
A：那么，现在还没有搞清楚吗？
B：有中性流（neutral current）的问题。在魏恩堡 · 萨拉姆理论得到重视以前，弱电流是作为一定会吸收或放出电荷而制作出来的。可以认为这是在试验上受到强制的结果，但是，魏恩堡 · 萨拉姆的理论是容许像ve+e-→ve+e-这种由中性流引起的过程的。这是由Z介子作媒介的哩。1973年瑞士欧洲核子研究中心（CERN）的伽尔伽麦（Gargamelle）小组发现这种试验例子以后，现在已没有人怀疑中性流的存在了，并承认这就是表示魏恩堡 · 萨拉姆理论的正确性的旁证。
A：哎，是这样呵。认为轻子世界可以按魏恩堡 · 萨拉姆理论很好进展的人多吗？再说，强子世界又怎样呢？刚才好像说过，要是能由夸克构成强子就好啦。夸克之间又是由什么相互作用结合的呢？
B：不用说，强子是进行η→ρ+e-+v-。或是π+→μ++vμ这样的弱相互作用的。把这种情况当作是夸克在进行弱相互作用来考虑，是非常自然的。因此，可以同轻子一样列入魏恩堡 · 萨拉姆理论。最简单的组合方式大概就是把（ve，e-）z看作（n，ρ）L或（λ，c）L，把ρR、ηR、λR、cR看作是同eR相对应的。
A：我想了解夸克之间是怎样粘聚起来的，请不客气地指教吧。
B：知道啦。以上述有关颜色自由度的SU（3）对称性为基础的规范理论，人们认为是有前途的。规范粒子就特别命名为胶子（gluon）。
A：还有规范理论吗？仍然是编入可能的理论吧？
B：不用说，这是颜色胶子理论——也有人叫做量子颜色动力学（Quantumchromodynamic）——的优点之一，但另外还有更积极的理由哩。1970年美国斯坦福直线加速器中心等单位做过用e-去碰撞P或N来考查强子内部结构的试验，发现了标度现象。人们就采取这个现象来表示自旋为1/2构成的粒子在强子内部互相自由飞绕的图像。这就是部分子模型。1973年颜色胶子理论表明了强子深部确实显现着这种图像。格罗斯（Gross）、威泽克（Wilzek）、玻利兹（Politzer）等人就把它叫做渐近自由度（asymptotic-freedom），设部分子=夸克，则部分子模型就是颜色胶子模型一个侧面的反映。
A：夸克要是在自由飞绕，它好像是要飞出强子才好呢，可是……
B：好遗憾，夸克飞不出来。于是出现了研究夸克禁闭和夸克边界的理论家。这个图像虽然由于胶子的质量等于零，可以认为胶子交换产生的力是和库仑力相同的，但是，如果夸克之间的距离正像弦模型（string model）所显示的那样是隔开来的，而力又是与距离成比例变化的，那么，要把夸克互相拉开来，就需要无限大的功，要把夸克拉出去更是不可能的。情况是否这样，只要看作是渐近自由度的反面，那大概就是可能的吧。夸克边界目前还无法证明，但也有点指望，因而引起人们对所谓红外束缚理论或点阵规范理论之类的尝试大感兴趣。
A：那么，颜色SU（3）胶子模型的优点就是实现渐近自由度，寻找夸克边界，并使这样的计算成为可能的编入可能性吗？
B：对呀。
A：总之，无论是弱相互作用，电磁相互作用、强相互作用，对奠基于规范理论的模型都应该是有希望的吗？那就进一步全部统一起来处理又怎样呢？
B：当然，许多人都这样考虑过。1972年巴尔斯（Bars）、哈卜恩（Halpern）和吉村在SU（3）×SU（2）×U（1）对称性的基础上所考虑的规范理论，我想就是这种尝试的开端吧。把质量为零的胶子作为规范粒子的模型是1974年由日本作成的（伊藤、南川、三浦和渡边）。当然，1974年前后还做过很多这样的尝试，其中最有趣的是帕蒂（Pati）和萨拉姆（Salam）的尝试。帕蒂 · 萨拉姆把轻子作为第四种颜色处理，对称性就扩大啦。传达这种相互作用的自旋为1的粒子，后来才定名为萨拉姆子（Salamion）。这样说来，过去认为稳定的质子也都衰变成了轻子，原因是有一部分并不稳定。不过，质子的寿命在1028年以上，要是这样的话，禁闭夸克就没有什么必要啦。
A：这真有趣。另外就没有考虑这种趣事的人了吗？
B：1974年乔奇（Georgi）和格拉晓（Glashow）把最大的对称性作为SU（5）来考虑过SU（5）的规范理论。这个规范理论虽是从唯一的相互作用出发的，但SU（5）对称性的设想却要利用希格斯机构一直打破SU（3）×SU（2）L×U（1）这种小对称性，并揭露出强相互作用、电磁相互作用以及弱相互作用的区别。这个理论的特点是，表明了强相互作用的结合常数和电磁相互作用的精细结构常数（α=1/137）也大致是同样大小，也表明了原来按魏恩堡理论可以取任意值的魏恩堡角θw应定为sin2θw=3/8。特别有趣的是，夸克或轻子的魏恩堡角是由它所含基本费米子的量子数决定的。由于这个角在魏恩堡 · 萨拉姆理论中规定着中性流的强度，因而可通过采用了v的试验求出来，1976年在苏联第比利斯国际会议上所报告的值，同sin2θw =3/8是非常一致的。利用此值来推算W±介子的质量即达60 GeV左右。
A：嗬——，是奠基于规范理论的基本粒子的统一模型吗？再说，统一模型难道就非要规范理论不可吗？
B：不，没有那样的事。在日本，汤川也首创过非局域场和基本领域理论的研究，去年去世的海森堡也考虑过费米一元论。
A：所谓费米一元论是怎样讲的？
B：按照对费米型相互作用理论的解释，最好就说那是要产生全部基本粒子的想法吧。在它的发展上最著名的，是1961年南布（Nambu）和乔纳 · 拉西尼奥（Jona. Lasinio）的基本粒子超传导模型。这样说米，最近即使把夸克或轻子看作基本费米子来形成费来型相互作用，也正好说明会出现SU（3）×SU（2）z×U（1）的规范理论（斋藤和重元，寺泽，赤间和近岸）。因此，纵然不考虑SU（5）那样的大对称性，也会产生sin2θw=3/8，至于强相互作用的结合常数，也和SU（5）理论的情况一样。这种想法并不采取所谓物质场和规范场的二元论，而是利用规范粒子或费米子对建立的一元论。
A：唔——，这么说，总该从费米一元论建立起强相互作用、电磁相互作用、弱相互作用的规范理论来啦。
B：现在剩下来的就是重力相互作用问题啦，但重力在基本粒子世界太微弱了，是不应当成问题的。可是在窥测基本粒子奥秘时，也许就不得不加以考虑。1955年兰道（Landau）考虑到这一点，也推测过牛顿万有引力常数Gn和常用的α之间或许是有关联的。
A：唔，唔唔。
B：再回到刚才的话题吧。站在场论的角度，自然就认为重力也是由名为引力子的自旋为2、质量为0的粒子传递的啦。这仍然是规范理论呵。因此，有的小组（寺泽、近岸，赤间和松木）想把引力子也当作是费米子对。这就推导出兰道（Landau）预测的Gn和α的关系来啦。根据这个关系才推导出夸克的气味大概可以认为有12种。
A：嘿——，那就并不是粲的范围啦？再说，费米型相互作用也和规范理论有所不同，它应该是不能编入的吧。
B：你还记得哩。因此，要推进这种想法，也许就必须冲破过去场论的框框，说来容易做来难呵。
A：当然啦。
（简郸、蔡林海译）
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① 本文原载日本《数理科学》第15卷第2号（1977年2月），作者在东京大学原子核研究所理论部工作。